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在这个稀奇时空中,一个粒子扰动,就能够让暗洞诞生

admin | 2020-05-20 19:18 浏览数:
 视频展现了物质进入逆德西特时空后,引发的一系列效答。 视频展现了物质进入逆德西特时空后,引发的一系列效答。

  撰文 | Steve Nadis

  翻译 | 贺白

  审校 | 吴非

  喜欢因斯坦方程描述了三栽典型的时空构型。现在,数学家表明,其中之一——逆德西特时空是内在担心详的。

  4年前,乔治斯·莫斯基迪斯(Georgios Moschidis)还在普林斯顿大学读钻研生,他遇到了一个难以解决的题目。他的导师让他从数学上表明,某个时空组织是担心详的。换句话说,对它的任何微弱转折最后都会导致时空本身的歇业。

  他的导师,数学家米哈利斯·达弗莫斯(Mihalis Dafermos)清新这项义务的难度。达弗莫斯曾与古斯塔夫·霍尔泽格尔(Gustav Holzegel)一首在2006年挑出了担心详性推想。“你能够消耗了大量精力,却一无所获,”达弗莫斯说,“吾认为如许的表明是不能够完善的。”但他却鼓励他那时的弟子,现在是加州大学伯克利分校博士后的莫斯基迪斯往试试。莫斯基迪斯那时的做事已经足以获得博士学位了,接下来为什么不往尝试一些更大的挑衅呢?

  达弗莫斯对莫斯基迪斯专门有信念。从2017年至今,莫斯基迪斯已经在一系列的做事中表清新喜欢因斯坦时空中的一个典型组织——逆德西特(anti-de Sitter,简称AdS)时空——是担心详的。将幼批物质扔进逆德西特空间,最后将会产生一个暗洞。

  斯坦福大学数学家乔纳森·卢克(Jonathan Luk)认为莫斯基迪斯的做事令人惊叹:“他发现的是一栽相等普及的担心详机制。”这个机制同样能够行使于其他与逆德西特无关的体系中,只要其中的物质或能量被封闭在一个物理体系中。莫斯基迪斯也得到了达弗莫斯的表彰,他说:“肯定是以前几年内,吾在广义相对论数学中望到的最原首的东西。”

  尽管吾们并异国生活在一个逆德西特的宇宙中,(谢天谢地,否则吾们根本不会存在)但这项做事能够协助吾们理解一系列物理机制,例如湍流、引力和量子力学之间的奥秘有关。

  “镜面”边界

  担心详性推想,以及由它产生的整个思维流派,能够追溯到喜欢因斯坦的广义相对论方程组。该方程组准确地阐清新质量和能量是如何影响时空曲率的。在异国任何物质的真空,时空照样能够曲曲,引力照样存在。这是由于真空本身也存在能量密度,科学家用“宇宙学常数”描述这一表象。因此,真空其实一点也不“空”。

  喜欢因斯坦真空方程的3个最浅易的解,也是对称性最高的——在这些解中,时空曲率处处相通。在闵可夫斯基(Minkowski)时空中,宇宙学常数为零,宇宙是十足平整的。在德西特(de Sitter)时空中,宇宙学常数有一个正值,宇宙的形状就像一个球体。当宇宙学常数为负时,就会得到逆德西特时空,这时的宇宙是一个鞍形。对于物理学家来说,题目在于:这3个时空中,原形是哪一个描述了吾们的宇宙?

  另一方面,数学家则在疑心这些时空是否真的安详。也就是说,倘若你以任何方式扰乱真空时空——比如说,向体系中注入一些物质,或者发送引力波——它最后会回归稳定,并挨近原首状态吗?照样会演变成十足分别的状态?这相等于把一块石头扔进池塘:激首的水波会逐渐消逝,照样会形成海啸?

  1986年,一位数学家表清新德西特时空是安详的。1993年,两位数学家对闵可夫斯基时空做了同样的钻研。而对逆德西特时空的表明则花了更长时间。普及的共识是,与其他两栽构型分别,逆德西特是担心详的,这意味着数学家将不得不采取一栽十足分别的新手腕。达弗莫斯说:“为解决安详性题目,人们已经开发了许无数学工具。但担心详性,尤其是逆德西特时空的担心详性,是一个十足分别的周围。”它内心上是非线性的,如许的特性平增了复杂性,响答的计算也很棘手。

  达弗莫斯注释说,钻研人员疑心逆德西特时空能够是担心详的,由于他们认为它的边界具有逆射性,“就像一壁镜子,任何到达它的波都会逆射回来。”

  普林斯顿高级钻研所的物理学家胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)说:“从物理学角度上望,边界上的逆射是有意义的。”这在必定水平上是出于逆德西特空间的曲率,但还有一个更浅易的注释:能量守恒原则。

  倘若边界是逆射性的,那么逆德西特时空中就不会有任何东西外泄。因此,任何物质或能量进入这个体系最后都能够荟萃首来,甚至能够形成暗洞。题目是,这真的会发生吗?倘若是如许,是什么机制导致物质和能量荟萃成如许的水平,而不是散开?

  莫斯基迪斯想象着站在逆德西特时空中,就像在一个重大的球中,球的边界在无穷遥远。倘若你在球内发出光信号,它会在有限的时间内到达边界。这栽情况之因而能够成立,联系我们是由于多所周知的相对论效答:固然到边界的空间距离是无穷的,但对于以光速或挨近光速走进的波或物体,时间会减慢。因此,尽管必要耐性,站在逆德西特时空中间的不悦目察者最后会望到光线在有限的时间内到达边界。

  暗洞的诞生

  莫斯基迪斯异国考虑光波,而是将一栽在广义相对论模型中常用的物质——喜欢因斯坦-弗拉索夫粒子——投放到逆德西特空间。这些粒子在时空中产生专一的物质波,和池塘中展现的水波纹相通。

乔治斯·莫斯基迪斯乔治斯·莫斯基迪斯

  物质失踪落至这个时空,产生的多多专一波中,最初的两列信号最强,由于它们包含的物质和能量最多。因此吾们也将重点钻研它们。第一列波称为1号波,它将向外膨胀,直到到达边界,逆弹回来,并在返回过程中缩短。第二列波,即2号波,将随之而来。

  1号波在向中间缩短的过程中,将击中仍在膨大的2号波。喜欢因斯坦方程的一个效果是,在如许的作用中,膨大波(2号波)总是将能量传递给缩短波(1号波)。             

  在1号波到达中间后,它将再次膨大、向边界膨胀,与此时正在缩短的2号波重逢。这一次,1号波将把能量传递给2号波。这个循环能够多次重复。

  莫斯基迪斯还仔细到了另一个表象:在中间附近,波占有的空间更少,携带的能量更荟萃。因此,波在中间附近的作用中交换的能量比在边界附近的更多。也就是说,1号波在中间给2号波挑供的能量,比2号波在边界给1号波挑供的能量多。

  经过多次逆复,2号波赓续从1号波获取能量,能量密度赓续增补。在某个时刻,当2号波向中间缩短时,它的能量会变得专门荟萃,从而形成一个暗洞。

  这就是担心详性的表明:莫斯基迪斯展现了,当他在逆德西特时空中加入一个极幼的物质时,暗洞必然会形成。然而,按照定义,逆德西特时空的曲率在任何地方都是一致的,这意味着它不及原谅像暗洞如许扭曲空间的物体。“倘若你扰乱了逆德西特时空,并且期待有余长的时间,” 莫斯基迪斯说,“你最后会得到一个包含暗洞的崭新构架,而不再是逆德西特。这就是吾们所说的担心详。”

  莫斯基迪斯近来表清新在一栽分别的物质扰动(无质量标量场)下,逆德西特空间的担心详性。这项做事尚未发外,但他在几次学术通知中介绍了这个想法。“由于标量场产生的波能够代外引力波,” 达弗莫斯说,这使得莫斯基迪斯离最后现在的更近了一步——在真实的真空中表明逆德西特的担心详性。在真空中,不引入任何物质时,时空也会受到引力的厉肃扰动。

  逆德西特空间的异日

  逆德西特时空的担心详性对吾们理解本身的宇宙也有偏主要影响。最先,由于逆德西特时空是担心详的,这是“你在自然界中望不到的东西,” 莫斯基迪斯说,但“尽管逆德西特不是实在的,它照样能够引导吾们发现和钻研实在表象。”

  例如,当能量从大尺度荟萃到幼尺度时,就会产生湍流。莫斯基迪斯指出,当逆德西特时空受到扰动时就会展现这栽情况。湍流是一栽普及存在于各栽流体体系中,但欠缺晓畅的表象。逆德西特时空是一个“清洁”且相对浅易的体系,这就是为什么它被认为是钻研湍流的很益的理论试验平台。在逆德西特时空中,湍流是由引力引首的,但莫斯基迪斯认为,他正在开发的数学工具也能够协助分析流体力学中展现的湍流。

  逆德西特在逆德西特/共形场论(AdS/CFT)对偶中也有特出的特点,AdS/CFT对偶是在量子引力理论中将量子力学与引力结相符首来的关键线索。对偶有关外明,逆德西特空间中的引力体系能够等价于矮一个维度的非引力量子体系。1997年发现这一对偶有关的马尔达西那说:“吾们能够用一个引力理论来描述不含引力的量子力学体系。这个引力理论并非来自吾们的宇宙,而是出自逆德西特宇宙。”他进一步指出,近来莫斯基迪斯表清新逆德西特的担心详性并不影响对偶的有效性。

  莫斯基迪斯的做事与AdS/CFT对偶相结相符,也有助于阐明吾们更熟识的粒子相互作用。例如,莫斯基迪斯行使逆德西特时空的微弱扰动来制造暗洞。这一过程经由过程对偶有关,与量子体系达到均衡的炎化过程有关——这是一栽几乎无处不在的现实世界表象。             

  “表明逆德西特是担心详的,” 莫斯基迪斯总结道,“并意外味着它是无趣的。”

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